基于DSP的電力線載波OFDM調(diào)制解調(diào)器

利用電力線作為信道進(jìn)行通信?是解決最后一公里問(wèn)題的一個(gè)很好的方法。然而電力線作為通信信道，存在著高噪聲、多徑效應(yīng)和衰落的特點(diǎn)。OFDM技術(shù)能夠在抗多徑干擾、信號(hào)衰減的同時(shí)保持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，在具體實(shí)現(xiàn)中還能夠利用離散傅立葉變換簡(jiǎn)化調(diào)制解調(diào)模塊的復(fù)雜度，因此它在電力線高速通信系統(tǒng)中的應(yīng)用有著非常樂(lè)觀的前景。文中給出一種基于正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM技術(shù))的調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)方案。

1 OFDM原理

OFDM全稱為正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，其基本思想是把高速數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)串/并變換，分成幾個(gè)低比特率的數(shù)據(jù)流，經(jīng)過(guò)編碼、交織，它們之間具有一定的相關(guān)性，然后用這些低速率的數(shù)據(jù)流調(diào)制多個(gè)正交的子載波并迭加在一起構(gòu)成發(fā)送信號(hào)。每個(gè)數(shù)據(jù)流僅占用帶寬的一部分，系統(tǒng)由許多子載波組成。在接收端用同樣數(shù)量的載波對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相干接收，獲得低速率信息數(shù)據(jù)后，再通過(guò)并/串變換得到原來(lái)的高速信號(hào)。從而降低子載波上的碼率，加長(zhǎng)碼元的持續(xù)時(shí)間，加強(qiáng)時(shí)延擴(kuò)展的抵抗力。 在OFDM中，為了提高頻帶利用率，令各載波上的信號(hào)頻譜相互重疊，但載波間隔的選擇要使這些載波在整個(gè)符號(hào)周期上正交，即相加于符號(hào)周期上的任何兩個(gè)子載波乘積為零。這樣，即使各載波上的信號(hào)頻譜間存在重疊，也能無(wú)失真復(fù)原。當(dāng)載波間最小間隔等于符號(hào)周期的倒數(shù)的整數(shù)倍時(shí)，可滿足正交性條件。實(shí)際上為實(shí)現(xiàn)最大頻譜效率，一般取載波間最小間隔等于符號(hào)周期的倒數(shù)。 OFDM允許各載波間頻率互相混疊，采用了基于載波頻率正交的IFFT/FFT調(diào)制，直接在基帶處理。1971年，Weinstein和Ebert將DFT引入到并行傳輸系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)部分。應(yīng)用時(shí)去掉了頻分復(fù)用所需要的子載波振蕩器組、解調(diào)部分的帶通濾波器組，并且可以利用FFT的專用器件實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的調(diào)制解調(diào)過(guò)程。 OFDM技術(shù)具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適于多徑效應(yīng)嚴(yán)重的寬帶傳輸系統(tǒng)，是一門具有發(fā)展前景、非常適合電力線高速數(shù)字通信的新興技術(shù)。

2 電力線載波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Homeplug是工業(yè)界第一個(gè)電力線家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)參考Homeplug采用的頻譜范圍4.5MHz～21MHz，并在Homeplug物理參數(shù)的基礎(chǔ)上確定本系統(tǒng)參數(shù)為：

采樣頻率fs=1/T = 15MHz

數(shù)據(jù)符號(hào)時(shí)間Td = 256×T=17.07μs

循環(huán)前綴時(shí)間Tcp = 172×T=11.47μs

OFDM符號(hào)時(shí)間Ts = 428×T=28.5μs

數(shù)據(jù)子載波數(shù)為256

子載波間隔Δf=1/Td=0.05858MHz

總子載波占用帶寬 N×Δf=15MHz

由于加入了11.47μs的循環(huán)前綴，系統(tǒng)可以消除11.47μs以內(nèi)的回波干擾。但是同時(shí)也付出頻帶利用率僅0.59B/Hz和損失功率2.23dB的代價(jià)?？紤]到電力線惡劣的通信環(huán)境，付出的代價(jià)是值得的。

電力線高速通信系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入數(shù)據(jù)在OFDM信號(hào)調(diào)制部分依次經(jīng)過(guò)串/并變換、IFFT、加入循環(huán)前綴、并/串變換后，輸出調(diào)制后的信號(hào)，其頻帶范圍為0～15MHz、數(shù)據(jù)速率為8.97MB。經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)/模變換和上變頻后，通過(guò)系統(tǒng)耦合部分進(jìn)入電力線。 電力線上的信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)耦合部分，輸出的信號(hào)通過(guò)下變頻、模/數(shù)變換后輸入給OFDM信號(hào)解調(diào)部分。在經(jīng)過(guò)串/并變換、去除循環(huán)前綴、FFT、并/串變換后，輸出串行數(shù)據(jù)流。

3 OFDM調(diào)制解調(diào)器的硬件實(shí)現(xiàn)

基于TMS320C6201的OFDM調(diào)制解調(diào)器的硬件實(shí)現(xiàn)分別如圖2和圖3所示。PCI總線實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的通信。S5933是32bit PCI控制器。FPGA是系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)的邏輯控制信號(hào)及時(shí)鐘由FPGA提供。DSP部分為系統(tǒng)的核心，完成OFDM的調(diào)制與解調(diào)。 PCI總線是寬度為32bits或64bits的地址數(shù)據(jù)復(fù)用線，支持猝發(fā)傳輸，數(shù)據(jù)率為132Mbps，可滿足高速數(shù)據(jù)要求。PCI總線能自動(dòng)配置參數(shù)，定義配置空間，使設(shè)備具備自動(dòng)配置功能，支持即插即用，采用多路復(fù)用技術(shù)，支持多處理器64位尋址、5V和3.3V環(huán)境。其獨(dú)特的同步操作及對(duì)總線主控功能，可確保CPU能與總線同步操作，而無(wú)需等待總線完成任務(wù)。

S5933是AMCC(Applied Micro Circuits Corporation)公司開(kāi)發(fā)的32bit PCI控制器，具備強(qiáng)大、靈活的PCI接口功能，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合。S5933芯片的特點(diǎn)是符合PCI2.1規(guī)范，支持PCI主、從兩種工作方式，支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式，適用于不同的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合，支持PCI全速傳輸，提供8/16/32bit的Add-On用戶總線，有高低字節(jié)順序調(diào)整功能，支持穿行和并行的BOOT/POST碼功能，160腳PQFP封裝。

DSP部分選用TI公司的TMS320C6201。TMS320C6201有32位的外部存儲(chǔ)接口EMIF，為CPU訪問(wèn)外圍設(shè)備提供了無(wú)縫接口。為了便于多信道數(shù)字信號(hào)處理，TMS320C6201配備了多信道帶緩沖能力的串口McBSP。McBSP的功能非常強(qiáng)大，除具有一般DSP串口功能之外，還可以支持T1/E1、ST-BUS、IOM2、SPI、IIS等不同標(biāo)準(zhǔn)。TMS32C6201提供的16位主機(jī)接口(HPI)使得主機(jī)設(shè)備可以直接訪問(wèn)DSP的存儲(chǔ)空間。通過(guò)內(nèi)部或外部存儲(chǔ)空間，主機(jī)可以與DSP交換信息，也可以利用HPI直接訪問(wèn)映射進(jìn)存儲(chǔ)空間的外圍設(shè)備。TMS320C6201的DMA控制器有四個(gè)獨(dú)立的可編程通道，可以同時(shí)進(jìn)行四種不同的DMA操作。

4 OFDM在DSP上的軟件實(shí)現(xiàn)

調(diào)制部分的子程序被系統(tǒng)調(diào)用前，發(fā)送的數(shù)據(jù)已裝入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。子程序被調(diào)用時(shí)，數(shù)據(jù)區(qū)的首地址以及長(zhǎng)度被作為入口參數(shù)傳遞給子程序。程序執(zhí)行時(shí)首先進(jìn)行一系列的配置工作，如配置DSP片內(nèi)外設(shè)以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的各種參數(shù)等。之后，串口中斷產(chǎn)生，中斷服務(wù)程序自動(dòng)依次讀取發(fā)送存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，經(jīng)串口輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器。然后程序從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)讀取一幀數(shù)據(jù)，并行放入IFFT工作區(qū)的相應(yīng)位置，隨后進(jìn)行IFFT以及加入循環(huán)前綴(即復(fù)制數(shù)據(jù)的后若干位插入到數(shù)據(jù)的前段)。所得數(shù)據(jù)存入發(fā)送存儲(chǔ)器以便中斷服務(wù)程序?qū)⑵漭敵?。[!--empirenews.page--]

解調(diào)部分的程序首先執(zhí)行DSP片內(nèi)外設(shè)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配置，然后開(kāi)串行口，接收中斷，使接收中斷程序接收來(lái)自模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣數(shù)據(jù)，并將采樣數(shù)據(jù)依次存入接收存儲(chǔ)器。每得到一幀數(shù)據(jù)，程序首先去除循環(huán)前綴(即刪去數(shù)據(jù)的前若干位)，然后對(duì)去除循環(huán)前綴后的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換。

5 FFT在TMS320C6201上的優(yōu)化算法

表1給出256點(diǎn)Radix2FFT和Radix4FFT在TMS320C6201上所需的指令周期，以及在不同的工作頻率下完成FFT所需的時(shí)間。 由表1可以看出，在TMS320C6201上采用Raidx4算法比采用Radix2算法更加高效。并且，為了滿足系統(tǒng)需求，即在17.07μs之內(nèi)完成256個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)的FFT運(yùn)算，TMS320C6201必須采用200MHz的工作頻率。

TMS320C6201的數(shù)據(jù)通路和流水線工作方式是對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化從而獲得高性能的基礎(chǔ)。TMS320C6201有兩個(gè)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)通路A和B，每個(gè)通路有4個(gè)功能單元(.L.S.M.D)和一個(gè)包括16個(gè)32位寄存器的寄存器組。功能單元執(zhí)行邏輯、位移、乘法、加法和數(shù)據(jù)尋址等操作。兩個(gè)數(shù)據(jù)尋址單元(.D1和.D2)專門負(fù)責(zé)寄存器組和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳遞。在同一時(shí)刻，這些功能單元能夠并行地執(zhí)行多條指令。TMS320C6201對(duì)任何指令的操作都能分為幾個(gè)子操作，每個(gè)子操作由不同單元完成。對(duì)每個(gè)單元來(lái)說(shuō)，每個(gè)時(shí)鐘周期可進(jìn)入一條新指令，這樣在不同周期內(nèi)，不同單元可以處理不同的指令，這種工作方式稱?quot;流水線工作方式。TMS320C6201的特殊結(jié)構(gòu)，可使8條指令同時(shí)通過(guò)流水線的每個(gè)節(jié)拍，從而大大提高了機(jī)器的吞吐量。

為使代碼達(dá)到最大效率，程序?qū)⒈M可能將指令安排為并行執(zhí)行。為使指令并行操作，程序確定指令間的相關(guān)性，即一條指令必須發(fā)生在另一條指令之后。根據(jù)TMS320C6201的數(shù)據(jù)通路和流水線工作方式，在此給出一種高效實(shí)現(xiàn)16點(diǎn)Radix4FFT的方法。其基本思想是分解傳統(tǒng)的FFT蝶型算法循環(huán)體，將其分別展開(kāi)在A、B通路內(nèi)計(jì)算兩個(gè)FFT蝶型算法。每個(gè)蝶型算法分別只分配自己這一側(cè)的寄存器組和功能單元。這樣在循環(huán)體內(nèi)兩個(gè)蝶型算法是完全不相關(guān)的，能夠并行執(zhí)行。下面給出基于C.S.Burrus和T.W.Parks的Radix4FFT算法的優(yōu)化算法的代碼實(shí)現(xiàn)。

void radix4(int n，short x[]， short w[])???

{

int n1，n2，ie，wa1，wa2，wa3， wb1， wb2，wb3，ia0，ia1，ia2，ia3，ib0，ib1，ib2，ib3，j，k;?

short ta，tb，ra1，ra2， rb1，rb2，sa1，sa2，sb1，sb2，coa1，coa2，coa3，cob1，cob2，cob3，sia1，sia2，sia3，sib1，sib2，sib3;?

n2=n;?

ie=1;?

for(k=n;k>1;k>>=2)?

{ //number of stage

n1=n2;?

n2>>=2;? // distance between input datas

wa1=0;?

for(j=0;j

wb1=wa1+ie;?

wa2=wa1+wa1;?

wb2=wb1+wb1;? //since here?most of the folow-ering two instructions are parallel

wa3=wa2+wa1;?

wb3=wb2+wb1;?

coa1=w[wa1*2+1];??

cob1=w[wb1*2+1];??

sia1=w[wa1*2];??

sib1=w[wb1*2];??

coa2=w[wa2*2+1];??

cob2=w[wb2*2+1];??

sia2=w[wa2*2];??

sib2=w[wb2*2];??

coa3=w[wa3*2+1];??

cob3=w[wb3*2+1];??

sia3=w[wa3*2];??

sib3=w[wb3*2];??

wa1=wb1+ie;?

for(ia0=j，ib0=j+1;ia0

{//loop of two butterflies caculation

ia1=ia0+n2;?

ib1=ib0+n2;?

ia2=ia1+n2;?

ib2=ib1+n2;?

ia3=ia2+n2;?

ib3=ib2+n2;?

ra1=x[2*ia0]+x[2*ia2];??

rb1=x[2*ib0]+x[2*ib2];??

ra1=x[2*ia0]-x[2*ia2];??

rb1=x[2*ib0]-x[2*ib2];??

ta=x[2*ia1]+x[2*ia3];??

tb=x[2*ib1]+x[2*ib3];??

x[2*ia0]=ra1+ta;? // x[2*ia0]?

x[2*ib0]=rb1+tb;? // x[2*ia0]?

ra1=ra1-ta;?

rb1=rb1-tb;?

sa1=x[2*ia0+1]+x[2*ia2+1];??

sb1=x[2*ib0+1]+x[2*ib2+1];??

sa2=x[2*ia0+1]-x[2*ia2+1];??

sb2=x[2*ib0+1]-x[2*ib2+1];??

ta=x[2*ia1+1]+x[2*ia3+1];??

tb=x[2*ib1+1]+x[2*ib3+1];??

x[2*ia0+1]=sa1+ta;?

x[2*ib0+1]=sb1+tb;?

sa1=sa1-ta;?

sb1=sb1-tb;?

x[2*ia2]=(ra1*coa2+sa1*sia2)>>15;?

x[2*ib2]=(rb1*cob2+sb2*sib2)>>15;?

x[2*ia2+1]=(sa1*coa2-ra1*sia2)>>15;?

x[2*ib2+1]=(sb1*cob2-rb1*sib2)>>15;?

ta=x[2*ia1+1]-x[2*ia3+1];??

ra1=ra2+ta;?

rb1=rb2+tb;?

ra2=ra2-ta;?

rb2=rb2-tb;?

ta=x[2*ia1]-x[2*ia3];??

tb=x[2*ib1]-x[2*ib3];??

sa1=sa2-ta;?

sb1=sb2-tb;?

sa2=sa2+ta;?

sb2=sb2+tb;?

x[2*ia1]=(ra1*coa1+sa1*sia1) >>15;?

x[2*ib1]=(rb1*cob1+sb1*sib1) >>15;?

x[2*ia1+1]=(sa1*coa1-ra1*sia1)>>15;?

x[2*ib1+1]=(sb1*cob1-rb1*sib1)>>15;?

x[2*ia3]=(ra2*coa3+sa2*sia3) >>15;?

x[2*ib3]=(rb2*cob3+sb2*sib3) >>15;?

x[2*ia3+1]=(sa2*coa3-ra2*sia3)>>15;?

x[2*ib3+1]=(sb2*cob3-rb2*sib3)>>15;?

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ie <<=2?

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